0 引言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，水資源短缺和時空分布不均等矛盾日益凸顯，嚴(yán)重制約了社會經(jīng)濟發(fā)展，對生態(tài)環(huán)境也產(chǎn)生了一定影響[1-3]。為解決上述問題，中國水利建設(shè)全面提速，國家水網(wǎng)主骨架和大動脈不斷完善，通過大型水庫、河道疏浚治理、渠道開挖等水利工程的實施，實現(xiàn)大規(guī)?？缌饔虻乃Y源調(diào)配，而土方開挖工程是實施國家水網(wǎng)工程中的一項重要內(nèi)容[4-5]。土方開挖工程施工過程中常面臨各項技術(shù)難題，如自然和人為因素等造成超、欠挖，施工質(zhì)量檢測的滯后性和人工檢測的局限性造成質(zhì)量評定不及時、施工機具多、工地人員構(gòu)成復(fù)雜等造成施工管理和組織協(xié)調(diào)難度大等[6-7] 。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在挖掘機工作裝置姿態(tài)實時監(jiān)控方面取得一些進展：日本筑波大學(xué)利用安裝在車身的激光掃描儀和單雙目攝像機等光學(xué)設(shè)備和GPS設(shè)備，配合安裝在鏟斗、斗桿和動臂上的電位計，綜合解算挖掘機工作裝置相關(guān)結(jié)構(gòu)的位置坐標(biāo)和姿態(tài)信息[8-9]。南京工業(yè)大學(xué)與三一重機利用靶標(biāo)板和視覺傳感器等設(shè)備，實時記錄挖掘機工作裝置圖像，通過圖像處理，將像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)化計算為工作裝置的實時空間坐標(biāo)和姿態(tài)信息[1]；美國天寶公司研發(fā)了基于挖掘機開挖施工過程的坡度控制和引導(dǎo)系統(tǒng)[\";徠卡公司開發(fā)了挖掘機3D智能引導(dǎo)系統(tǒng)[12]。但是，已建立的挖掘機姿態(tài)檢測系統(tǒng)僅可作為普通挖掘機的輔助操作系統(tǒng)，仍然需要駕駛員的現(xiàn)場判斷才能進行正常作業(yè)，不能直觀、有效、精確地為駕駛員土方開挖提供引導(dǎo)，與土方開挖工程精確控制、質(zhì)量管控、過程管理等要求仍存在差距。

1土方開挖施工精細化管理現(xiàn)狀與難點

隨著國家水網(wǎng)工程的建設(shè)，不同河流、樞紐之間的連通工程建設(shè)發(fā)展迎來熱潮，連通工程大多涉及對天然河道疏浚和改造及人工河道開挖，為土方開挖工程建設(shè)的質(zhì)量控制、項目管理等方面帶來了新的挑戰(zhàn)。

（1）土方開挖的任務(wù)規(guī)劃與精細化管理。在傳統(tǒng)的土方開挖施工過程管理中，傳統(tǒng)施工流程首先是單元工程劃分，具體施工流程：開挖線放樣 $$ 第一步土方開挖 $$ 第一步修坡 $$ 開挖下一步土方 $$ 下一步修坡 $$ 直至開挖結(jié)束。在實際的土方開挖過程中，采用土方開挖智能技術(shù)進行引導(dǎo)式開挖模式以實現(xiàn)一次開挖成型的應(yīng)用較少。

（2）土方開挖智能技術(shù)的應(yīng)用。在傳統(tǒng)的土方開挖施工過程管理中，基本上是開挖完成之后，由施工技術(shù)人員和監(jiān)理人員進行施工質(zhì)量檢測，檢測內(nèi)容主要包括開挖面高程、挖坡坡度等重要信息，但是在實際的土方開挖過程中，引導(dǎo)式開挖技術(shù)應(yīng)用較少。

（3）土方開挖過程中的三維動態(tài)實時展示與應(yīng)用。土方開挖實施過程中的實時智能監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用案例較少，尤其是土方開挖量、高程、坡度實時計算等方面，在實際工程應(yīng)用中還是空白，主要原因是挖掘機開挖過程中，隨著開挖次數(shù)的增加，土體三維模型性狀更加復(fù)雜，導(dǎo)致開挖實時模型的動態(tài)切割計算與展示越來越復(fù)雜，最終難以實現(xiàn)三維動態(tài)實時展示。隨著計算機技術(shù)、衛(wèi)星實時定位技術(shù)、傳感器信息實時處理技術(shù)以及多傳感器信息融合技術(shù)不斷發(fā)展，結(jié)合三維模型實時算法的深入研究，土方開挖施工實時監(jiān)控技術(shù)逐漸得以開發(fā)和應(yīng)用[13-18] 。

本文結(jié)合安徽省江巷水庫工程挖庫墊地工程，開展基于挖掘機的土方開挖施工質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)研究，開發(fā)了不改變挖掘機機械結(jié)構(gòu)的土方開挖施工質(zhì)量控制系統(tǒng)，并且在安徽省江巷水庫工程中進行應(yīng)用。

2土方開挖施工質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)

2.1挖掘機機器人運動學(xué)模型

挖掘機的機械結(jié)構(gòu)按功能可劃分為行走裝置和工作裝置，工作裝置主要由回轉(zhuǎn)底盤、動臂、斗桿和鏟斗共同組成。為精確求解挖掘機的動態(tài)位置坐標(biāo)，根據(jù)機器人運動學(xué)原理，將挖掘機工作裝置4個部分抽象成具有4個自由度的四連桿機構(gòu)[19-20]。挖掘機結(jié)構(gòu)如圖1所示，挖掘機的工作裝置在回轉(zhuǎn)平臺的驅(qū)動下進行旋轉(zhuǎn)運動，動臂在動臂液壓缸的驅(qū)動下繞 A 點進行回轉(zhuǎn)運動；斗桿在斗桿液壓缸的驅(qū)動下繞斗桿和動臂的鉸接點 C 點進行回轉(zhuǎn)運動；鏟斗在鏟斗液壓缸的驅(qū)動下繞斗桿和鏟斗的鉸接點 Q 進行回轉(zhuǎn)運動。

通過在挖掘機工作裝置的不同部位安裝傾角傳感器，監(jiān)測挖掘機工作裝置各關(guān)節(jié)空間的轉(zhuǎn)角值；利用機器人運動學(xué)分析的D-H法（Denavit-Hartenberg），建立工作裝置的各個關(guān)節(jié)局部坐標(biāo)系，通過各構(gòu)件長度、轉(zhuǎn)角值之間的坐標(biāo)系矩陣變換，求解挖掘機鏟斗斗齒尖的空間坐標(biāo)，實現(xiàn)開挖過程的實時監(jiān)控[21-22]。圖2為D-H坐標(biāo)系下的挖掘機模型。

注： a_i 為 Z_i-1 到 Z_i 沿 X_i 平移的距離； d_i 為 X_i-1 到 X_i 沿 Z_i-1 平移的距離；θ_i 為 Z_i-1 到 Z_i 繞 X_i 的轉(zhuǎn)角： q_i 為 X_i-1 到 X_i 繞 Z_i-1 的轉(zhuǎn)角；回轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)系根據(jù)施工坐標(biāo)系確定。

鏟斗斗齒尖相對于底座回轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)系的空間坐標(biāo)計算如下：

式中： s_i=sinq_i;c_i=cosq_i;c_ij=cos（q_i+q_j）;c_ijk=cos（q_i +q_j+q_k） 。

對挖掘機結(jié)構(gòu)中的幾何關(guān)系進行角度分析，鏟斗齒尖姿態(tài)角，即鏟斗和斗桿鉸接點 Q 與鏟斗斗齒尖中點 N 的連線與水平線的夾角 β 計算如下：

β=2kπ-（q₁+q₂+q₃）

對挖掘機進行設(shè)備安裝改造時，精確測定挖掘機的回轉(zhuǎn)底盤、動臂、斗桿和鏟斗等構(gòu)件的相關(guān)參數(shù)，可求得挖掘鏟斗齒尖相對于底座回轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)系的空間坐標(biāo)；挖掘機施工過程中將鏟背貼放在邊坡上，實現(xiàn)該位置邊坡坡比實時解算。

2.2數(shù)據(jù)稀疏技術(shù)與實現(xiàn)

挖掘機開挖施工過程中，衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時采集海量坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較差的情況下，土方開挖質(zhì)量控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢、質(zhì)量分析等功能可能會發(fā)生卡頓甚至系統(tǒng)崩潰等情況。在實際的數(shù)據(jù)處理前應(yīng)提前對數(shù)據(jù)庫中采集到的施工數(shù)據(jù)進行稀疏處理，即對給定的區(qū)域內(nèi)平均抽取一定數(shù)目的數(shù)據(jù)進行分析。利用數(shù)據(jù)稀疏處理可以去除數(shù)據(jù)庫中冗余、無效數(shù)據(jù)，在同樣整體效果下，根據(jù)時間和距離綜合進行數(shù)據(jù)稀疏和分析。其中，根據(jù)挖掘機鏟斗的運動軌跡，將數(shù)據(jù)分為多個鏟動作數(shù)據(jù)，通過判斷剔除鏟斗平移和鏟斗旋轉(zhuǎn)動作數(shù)據(jù)。

2.3 三維動態(tài)切割技術(shù)

利用多面體布爾運算，根據(jù)無人機傾斜攝影或地形等高線圖，土方開挖質(zhì)量控制系統(tǒng)自動創(chuàng)建原始地形模型以及設(shè)計開挖斷面圖，在施工范圍內(nèi)與大地水平面組成原始地貌地形多面體和設(shè)計地貌地形多面體，作為一個時間節(jié)點后的土方開挖原始模型和設(shè)計模型。

利用原始模型與當(dāng)前模型進行布爾運算求差集得到已開挖模型；利用當(dāng)前模型與設(shè)計模型布爾運算求差集得到未開挖模型；利用已開挖模型、未開挖模型和過挖模型實時計算當(dāng)前位置高程，并判斷是否欠挖和超挖，為挖掘機駕駛員提供實時引導(dǎo)。

（1）實時三維模型切割方法。將鏟斗開挖過程數(shù)據(jù)利用卡爾曼濾波，建立鏟斗開挖運行軌跡，與建立的原始模型進行相關(guān)位置判斷，假設(shè)鏟斗運行軌跡的多邊形4個頂點為 A，B，C，D ，判斷4個頂點與原始模型是否有交集，當(dāng)有交集時，可判定該鏟斗動作為開挖土體。

（2）三維模型融合簡化。隨著挖掘機開挖的進行，原始模型或者設(shè)計模型外表面變得越來越復(fù)雜，計算工作量明顯增多，導(dǎo)致計算效率降低，可能會影響土方開挖施工過程實時監(jiān)控效果。因此，需要進行三維模型的融合簡化，融合簡化的原則包括：當(dāng)模型中某相連兩點距離小于 20cm 時，該兩點合并為一個點；當(dāng)相連兩點合并后，將可能形成的通過線面相連且體積小于 1m³ 的空間體直接刪除。

（3）本地緩存機制的處理。獲取當(dāng)前鏟斗鏟尖運動軌跡，并計算對應(yīng)樁號，確定參數(shù)。向數(shù)據(jù)庫發(fā)起打開請求，打開該數(shù)據(jù)庫，直接執(zhí)行數(shù)據(jù)訪問，獲取數(shù)據(jù)并進行繪制。如果數(shù)據(jù)庫不存在，自動新建數(shù)據(jù)庫進行更新操作，及時訪問服務(wù)器獲取設(shè)計參數(shù)和施工數(shù)據(jù)，根據(jù)鏟尖實時運行軌跡，計算開挖地形模型數(shù)據(jù)，并存入緩存數(shù)據(jù)庫。通過本地數(shù)據(jù)庫與服務(wù)器數(shù)據(jù)庫的協(xié)同工作，減少頁面加載時間，提高訪問效率和繪制速度，實現(xiàn)場景模型的實時繪制。

2.4 土方工程量計算

土方工程量計算可簡化為多面體模型體積計算，模型（即多面體）按照一定規(guī)則分解若干個四面體，分別計算每個多面體的體積，并求和即可求得已開挖區(qū)域的土方方量。

假設(shè)四面體的4個頂點向量分別為 ^{a，b，c，d，} 則四面體體積為

3土方開挖施工質(zhì)量控制技術(shù)應(yīng)用

通過對挖掘機進行改造，實時監(jiān)測挖掘機的姿態(tài)信息，基于土方開挖施工過程收集的海量數(shù)據(jù)，進行大數(shù)據(jù)挖掘及分析，實現(xiàn)土方開挖施工海量數(shù)據(jù)的有效分析與利用，建立土方開挖施工質(zhì)量控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅具備挖掘機工作裝置姿態(tài)信息實時監(jiān)控等常規(guī)功能，還具有開挖施工過程中開挖高程與開挖坡度的實時引導(dǎo)與糾偏、開挖方量統(tǒng)計、開挖斷面自動生成等功能。

土方開挖施工質(zhì)量控制系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)將挖掘機感知信息上傳至云平臺，云平臺通過信息綜合分析進行三維模型計算（計算當(dāng)前開挖高程和坡度），通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至挖掘機駕駛室內(nèi)的引導(dǎo)終端，為挖掘機駕駛員提供引導(dǎo)與糾偏，從而實現(xiàn)土方開挖施工質(zhì)量控制，如圖3所示。

挖掘機土方開挖施工質(zhì)量控制系統(tǒng)包括傳感系統(tǒng)、后臺云平臺計算系統(tǒng)和引導(dǎo)系統(tǒng)3個部分，應(yīng)用了挖掘機機器人運動學(xué)模型、施工過程實時監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時分析等關(guān)鍵技術(shù)，各系統(tǒng)實現(xiàn)模塊化組合，采用無線網(wǎng)絡(luò)進行系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸，從而保證數(shù)據(jù)的實時性和完整性。土方開挖施工質(zhì)量控制系統(tǒng)應(yīng)用如圖4所示。

3.1 系統(tǒng)功能與應(yīng)用情況

結(jié)合土方開挖施工質(zhì)量控制系統(tǒng)，經(jīng)過改造的挖掘機可以實現(xiàn)土方開挖高程、開挖坡度、開挖斷面實時監(jiān)測等引導(dǎo)、糾偏功能。為檢驗土方開挖施工質(zhì)量控制系統(tǒng)是否達到預(yù)期目標(biāo)、質(zhì)量控制結(jié)果能否滿足規(guī)程規(guī)范要求、是否便于技術(shù)人員對開挖過程進行管理、提高管理效益，將建立的系統(tǒng)在安徽省定遠縣江巷水庫挖庫墊地工程中進行了應(yīng)用。

（1）為實現(xiàn)土方開挖施工質(zhì)量控制的目標(biāo)，在系統(tǒng)中進行挖掘機的主要機械結(jié)構(gòu)信息的錄人，如鏟斗、斗桿、動臂的結(jié)構(gòu)尺寸以及GPS和傳感器安裝信息，如圖5所示。

（2）根據(jù)實際土方開挖工程施工區(qū)域，開挖施工前創(chuàng)建原始、設(shè)計地形模型，結(jié)合鏟斗開挖過程監(jiān)測數(shù)據(jù)進行布爾運算，實時計算當(dāng)前位置高程、是否欠挖和超挖，為挖掘機駕駛員提供實時引導(dǎo)。

（3）在挖掘機駕駛室中安裝土方開挖施工質(zhì)量控制系統(tǒng)引導(dǎo)終端，可實時顯示該臺挖掘機當(dāng)前位置、開挖斷面平面圖、是否欠挖和超挖以及開挖邊坡的坡比等實時施工信息，為挖掘機操作人員提供引導(dǎo)，減少施工過程中技術(shù)員放樣放線工作。另外，該系統(tǒng)可以為挖掘機駕駛員提供精確定位功能（圖6），可引導(dǎo)駕駛員自行前往開挖施工區(qū)域，挖掘機駕駛員在沒有施工技術(shù)員進行施工放線時也可實現(xiàn)自主、高效施工，提高土方開挖效率。

（4）在進行邊坡開挖和坡度控制時，將鏟背貼放在已開挖的邊坡上，可以實時測定該邊坡的坡比；在進行土方開挖高程控制時，將鏟尖貼放在已開挖斷面的底部，可以測定該位置的實時高程，即可實現(xiàn)開挖高程控制，如圖7所示。

（5）系統(tǒng)中的開挖斷面數(shù)據(jù)分析功能，可實時監(jiān)控土方開挖施工過程，并對土方開挖斷面與設(shè)計斷面進行實時監(jiān)測（圖8）。另外，開挖過程中可實時監(jiān)測已開挖區(qū)域的土方開挖方量（圖9），為現(xiàn)場工程管理以及施工動態(tài)調(diào)度提供了重要支撐。

土方開挖施工質(zhì)量控制技術(shù)在江巷水庫挖庫墊地工程建設(shè)中得到有效應(yīng)用。從應(yīng)用情況可知，采用安裝土方開挖施工質(zhì)量控制系統(tǒng)的挖掘機進行土方開挖施工，可為駕駛員提供實時引導(dǎo)、糾偏功能，在沒有施工技術(shù)員輔助測量的情況下，簡化土方開挖施工中高程控制、坡度控制的施工流程，降低開挖施工難度，使開挖作業(yè)基本做到一次成型，實時監(jiān)測已開挖區(qū)域的土方開挖方量，提高施工效率。

3.2土方開挖施工質(zhì)量控制技術(shù)的優(yōu)勢

通過在安徽省江巷水庫挖庫墊地土方開挖施工過程中應(yīng)用土方開挖施工質(zhì)量控制技術(shù)，總結(jié)該技術(shù)優(yōu)勢如下。

（1）相較于傳統(tǒng)挖掘機土方開挖施工，更能適應(yīng)復(fù)雜的土方開挖環(huán)境，能夠在無法實現(xiàn)通視控制條件下的土方開挖提供重要的控制技術(shù)與手段，防止超挖、欠挖，保證施工質(zhì)量。如河道疏浚等水下開挖，可以在沒有施工技術(shù)員施工放樣輔助測量的情況下，簡化土方開挖施工中高程控制、坡度控制的施工流程，降低開挖施工難度。

（2）土方開挖施工質(zhì)量控制系統(tǒng)可適用于不同的施工環(huán)境，并且能夠結(jié)合施工機械工作效率以及施工機械臺數(shù)進行科學(xué)、合理的施工規(guī)劃，保證在有限的時間內(nèi)完成土方開挖工作，為土方開挖施工進度提供保障。

（3）土方開挖施工質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)在不改變施工機械控制系統(tǒng)情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)在沒有施工技術(shù)員放樣情況下直接進行開挖施工，提升施工機械的工作效率，有效提高施工質(zhì)量控制水平。

4結(jié)論

（1）根據(jù)挖掘機工作裝置的結(jié)構(gòu)幾何特征，安裝GPS和角度傳感器等傳感設(shè)備，實現(xiàn)了挖掘機的姿態(tài)和空間位置監(jiān)控，基于D-H法運動學(xué)模型進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了挖掘機鏟斗鏟尖坐標(biāo)、鏟背角度的轉(zhuǎn)換，并利用三維模型，實現(xiàn)了土方開挖過程實時監(jiān)測。

（2）開發(fā)的土方開挖施工質(zhì)量管控系統(tǒng)具有強大的適應(yīng)性與移植性，在對挖掘機工作裝置進行簡單的機械測量與調(diào)整、軟件調(diào)試分析之后，即可實現(xiàn)挖掘機開挖高程和開挖坡度的實時監(jiān)測功能，利用三維模型即可實現(xiàn)開挖斷面的實時監(jiān)測，保證了工程施工質(zhì)量。

（3）土方開挖施工質(zhì)量控制系統(tǒng)可實現(xiàn)在沒有施工技術(shù)員施工放樣情況下直接進行開挖施工，提升施工機械的工作效率，有效提高施工質(zhì)量控制水平，具有較好的經(jīng)濟效益。

（4）通過在安徽省江巷水庫挖庫墊地施工過程中的應(yīng)用，驗證了開發(fā)的土方開挖施工質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)的適用性，以及開發(fā)的土方開挖施工質(zhì)量控制系統(tǒng)運行的可靠性，可在土方開挖工程中推廣應(yīng)用。

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（編輯：江，舒忠磊）

Design and application of earthwork excavation construction quality control system based on three - dimensional model

WANG Pei1'2，YIN Jiejie3，XU Haibo1.2

（1.Anhuiamp;HuaiheiverIstituteofHdraulicResearchHefei3O88，China；AnuiProvncialKeyLboratoryofWateriece andIntellient WaterConseruancyHefei23oo88，China；3.TheHuaiheRiverCommissionof theMinistryofWaterResouces， P .R. C.，Bengbu 233001，China）

Abstract：Toachieverefined controlof thequalityof earthwork excavationconstruction，aqualitycontrol system for earthwork excavation construction without changing the mechanical structure of the excavator was developed byusig satelite positioning technologyandthe Internetof Things.This control system wasapplied tothereservoir excavationand ground padding projectof Jiangxiang Reservoir in Anhui Province.The results showed thattheuse of excavators equipped with earthwork excavation construction quality control systems for earthwork excavation construction could provide real - timeguidanceanddeviationcorrction functions fordrivers.Without theassistanceofconstructiontechnicians for measurement，simplifying the construction processof elevationcontroland slope control in earthwork excavation construction， reducing the dificultyof excavation construction，making theoperationbasicallycomplete inonego，monitoring the volume of earthwork excavation in the excavated area inreal time，and improving the construction eficiency.The research results can provide references for construction quality control of similar earthwork excavation projects.

Keywords：earthwork excavation；constructionqualitycontrol；Internet ofthings；guidanceandcorrection；monitoring of excavation section； Jiangxiang Reservoir